CN106324792B - 一种适用高功率激光使用的相变冷却反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高功率激光使用的相变冷却镜的结构，具体地说是实现在高功率激光所使用的全反镜，在使用条件下其具有长时间镜面面形稳定性。这种反射镜具有反射镜多孔支撑框架，反射镜表面，热管，焊接钎料过度层，潜热冷却剂，密封板。热管置于多孔支撑框架的孔中，其蒸发端和多孔支撑框架一端面均焊接到反射镜表面的背面，多孔支撑框架起到支撑反射镜表面的作用；潜热冷却剂填充在多孔支撑框架的孔中，密封板焊接到多孔支撑框架另一端面，起到密封作用，防止潜热冷却剂在不同孔间交互作用。这种反射镜具有较高潜热，能减缓反射镜整体温度升高，同时具有较高热导率，能够降低反射镜各局域的稳定梯度。适用于短时间高功率激光使用。

Description

一种适用高功率激光使用的相变冷却反射镜

技术领域

本发明涉及一种适用高功率激光使用的相变冷却反射镜实现方法，具体地说是采用一种储能式冷却结构，将高功率激光作用下反射镜表面所沉积的热量，迅速传导到镜体中去，降低镜面的温度梯度，减小镜体的温升，为一种实现反射镜温度稳定的方法，进而保障镜面面形的稳定性。

背景技术

激光反射镜是激光器的重要部件，其表面的面形精度直接影响激光的光束质量和激光功率。由于激光功率的不断提高，在高功率激光作用下激光腔镜由于弱吸收、表面污染等影响，使得镜面温度升高，进而导致反射镜面形的变化。为了减小热对激光腔镜温度稳定性的影响，人们常采用水冷激光反射镜的方法来解决，并得到较为理性的使用效果。但这种方法需要相应的水冷设备及其相应的冷却循环系统，增加了激光器整体的复杂性。为减小激光的体积和附属设备，本发明提供了实用的、简单的短时间高功率激光使用反射镜的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有潜热冷却的激光腔谐振腔反射镜结构及其方法，改善其结构稳定性，提高激光器的光束质量，延长其使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

采用具有较高导热系数、较低热膨胀系数、较高杨氏模量的材料，制作成块体支撑框架，于块状体支撑架从上向下开设有2个以上的通孔，于块状体支撑架上方固定有反射镜，主要作用是支撑反射镜表面，构成稳定的机械结构，减小镜面的变形作用。反射镜下表面覆盖于通孔的上开口端，反射镜下表面与块状体支撑架上方表面密闭连接，于块状体支撑架下方设有密封板，密封板覆盖于通孔的下开口端，密封板与块状体支撑架下方表面密闭连接，使块状体形成多孔支撑框架；在多孔支撑框架的通孔中设有热管，热管的蒸发端焊接在反射镜的下表面上，热管与多孔支撑框架的通孔之间的间隙由潜热冷却剂填充。

反射镜远离块状体上表面为超光滑反射镜表面，经光学抛光制备而成，其下表面焊接在多孔支撑框架上；多孔支撑框架上的通孔为2个以上，使块状体支撑架形成一蜂窝式骨架结构，通孔总的横截面积占其所在支撑框架总横截面的1/4-2/3，热管的总体积为支撑框架外形体积的1/4-1/2，热管的长度小于通孔的深度。

多孔支撑框架起到支撑反射镜表面作用，其厚度大于等于反射镜对角线长度1/6，一般采用低膨胀系数、高热导率的材料制备而成，多采用硅、单晶硅、微晶玻璃、石英、因刚或碳化硅材料制成；多孔支撑框架由上到下开有通孔，为了放置具有高热传导特性的热管，以提高镜体温度均匀性。

反射镜采用具有较高的热稳定性，为蓝宝石、白宝石、SiC晶体、单晶锗、单晶硅、CaF、石英、微晶玻璃或因刚材料制成；热管具有很高的热传导作用，蒸发端焊接在反射镜表面的下面，采用铜、不锈钢、铝合金或银高传导率的金属制备而成，热管管内采用乙二醇、酒精、烷烃材料、水或二种以上材料的混合液体作为相变冷却剂填充于其内。热管与其所在通孔之间的间隙由潜热冷却剂填充；潜热冷却剂为固液相变冷却剂，依靠其相变潜热来吸收激光作用所产生的热量，使得反射镜整体温度能够相对保持恒定；潜热冷却剂采用石蜡或烷烃材料混而成。多孔支撑框架内通孔互不连通，密封板焊接在多孔支撑框架的下端面上，将潜热冷却剂分别密封在各自的单元通孔内，使得各个孔间的潜热冷却剂不具有互通性。

本发明高功率激光使用的相变冷却反射镜具有很高的热稳定性，一方面热管具有较高的热传导性，降低反射镜各结构的温度梯度；另一方面潜热冷却剂能够吸收热量，减低反射镜整体温度的升高。适用于短时间高功率激光腔镜使用。

附图说明

图1本发明相变冷却反射镜结构示意图(正视图)；

图2本发明相变冷却反射镜结构示意图(俯视图)。

具体实施方式

发明中采用蓝宝石、白宝石、SiC晶体、单晶锗、单晶硅、CaF、石英、微晶玻璃、因刚等低膨胀系数材料作为反射镜1的备选材料，其厚度在2-10mm，通过双面抛光，使得反射镜表面1达到光学镜面，双面粗糙度小于2nm。反射镜1的激光入射面镀有激光高反膜，而其另一面镀有过度金属膜，膜层厚度小于1μm，材料一般Zr、Cr、Cu、Ti、Au、Ni等材料，增强反射镜1与焊接钎料间的结合力，同时提高其导热性。多孔支撑框架2一般采用与反射镜1同质材料，但对材料的致密性要求不高，如采用因刚便于机械加工，而采用多晶SiC可以采用烧结方法制作多孔结构。热管4采用铜、铝合金、银等高导热率材料，压制成型，其内为真空环境，填充乙二醇、酒精、烷烃类、水或上述材料的混合液作为相变冷却剂。其蒸发端抛磨成平面，以便于焊接到反射镜1的背面。采用真空钎焊工艺，将多孔支撑框架2和设置在其孔内的热管4焊接到反射镜1背面，其钎料采用锡基、铋基、铟基、铅基、镉基、锌基、金基、铝基、银基、铜基、锰基和镍基等金属钎料，钎料采用薄片结构，一般厚度小于150μm，焊接时真空度小于5x10^-3Pa，焊接温度及稳定时间根据钎料特性来选择。焊接后采用潜热冷却剂5填充多孔支撑框架2孔与热管4之间的间隙，再次采用真空钎焊工艺将密封板3焊接到多孔支撑框架2的一端，将潜热冷却剂5密封到各自所在孔的单元中。潜热冷却剂5为固液相变冷却剂，依靠其相变潜热来吸收激光作用所产生的热量，使得反射镜整体温度能够相对保持恒定。潜热冷却剂5采用石蜡或烷烃材料制备而成。

例如：在氧碘化学激光中使用的谐振腔反射镜，先加工直径80mm，3mm厚的双面抛光单晶硅基片，表面粗糙度小于1nm(rms)，这样基片作为反射镜1；在反射镜1的一个抛光面上镀多层介质膜，具有对激光光束高反射功能。而另一面镀有金属铜膜200-500nm，铜膜起到过度连接，同时具有提高反射镜1导热性作用。多孔支撑框架2采用因刚材料，其直径为80mm厚度选为100mm，通过放电工艺打出通孔，其形状与热管外形配合设计，上下两个断面磨成平面以便焊接。热管4采用紫铜材质，热管内填充乙二醇与酒精的混合液(比例为4：1)，长度为97mm，其焊接面磨成平面；真空钎焊时，真空焊接室压力小于5x10^-3Pa，多孔支撑框架2、设置在其孔内的热管4与反射镜1采用铜基(铜90％，银10％)薄片钎料焊接，钎料厚度100μm，焊接时分别从反射镜1的上侧面和多孔支撑框架2、设置在其孔内的热管4的下侧面加0.4MPa压力，作用于焊接结合面上，焊接温度720℃，焊接时间12min，焊接后温度以0.3℃/min速度降到300℃，再以3℃/min速度降到室温。焊接后将多孔支撑框架2的孔中填充潜热冷却剂5，采用石蜡作为潜热冷却剂5。再次采用如前所述相同的钎焊工艺，将密封板3焊接到多孔支撑框架2上，密封多孔支撑框架2的各个孔。密封板3采用紫铜材料，厚度采用10mm，提高镜子散热，增强镜面补偿作用。

这种具有相变冷却结构的反射镜，在激光器运行几秒甚至几十秒的过程中具有较高的热稳定性，在激光停止运行时可以与环境进行较好的热交换，释放相变储存的热量，以满足下次运行对反射镜稳定性的需求。

这种反射镜具有较高潜热，能减缓反射镜整体温度升高，同时具有较高热导率，能够降低反射镜各局域的稳定梯度。适用于短时间高功率激光使用。

Claims (7)

1.一种适用高功率激光使用的相变冷却反射镜，其特征在于：

包括一块状体支撑架，于块状体支撑架从上向下开设有2个以上的通孔，于块状体支撑架上方固定有反射镜（1），反射镜（1）下表面覆盖于通孔的上开口端，反射镜（1）下表面与块状体支撑架上方表面密闭连接，于块状体支撑架下方设有密封板（3），密封板（3）覆盖于通孔的下开口端，密封板（3）与块状体支撑架下方表面密闭连接，使块状体形成多孔支撑框架（2）；在多孔支撑框架（2）的通孔中设有热管（4），热管（4）的蒸发端焊接在反射镜（1）的下表面上，热管（4）与多孔支撑框架（2）的通孔之间的间隙由潜热冷却剂（5）填充；

反射镜（1）采用蓝宝石、白宝石、SiC晶体、单晶锗、单晶硅、CaF、石英、微晶玻璃或因刚材料制成；

热管（4）蒸发端焊接在反射镜（1）表面的下面，采用铜、不锈钢、铝合金或银制备而成，热管（4）管内采用乙二醇、酒精、烷烃材料、水或二种以上材料的混合液体作为相变冷却剂填充于其内。

2.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于：

反射镜（1）远离块状体上表面为超光滑反射镜表面，经光学抛光制备而成，其下表面焊接在多孔支撑框架（2）上；热管（4）置于多孔支撑框架（2）的通孔中，其蒸发端焊接到反射镜（1）表面的下表面上；热管（4）与多孔支撑框架（2）的通孔之间的间隙由潜热冷却剂（5）填充；密封板（3）焊接在多孔支撑框架（2）的下端面上，将潜热冷却剂（5）单独密封于单孔结构单元内，同时起到增强结构强度作用。

3.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于：所述通孔为2个以上，使块状体支撑架形成一蜂窝式骨架结构，通孔总的横截面积占其所在支撑框架总横截面的1/4-2/3，热管的总体积为支撑框架外形体积的1/4-1/2，热管（4）的长度小于通孔的深度。

4.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于：

多孔支撑框架（2）起到支撑反射镜表面作用，其厚度大于等于反射镜（1）对角线长度1/6，采用硅、单晶硅、微晶玻璃、石英、因刚或碳化硅材料制成；多孔支撑框架（2）由上到下开有通孔，通孔放置具有高热传导特性的热管（4），以提高镜体温度均匀性。

5.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于：

潜热冷却剂（5）为固液相变冷却剂，依靠其相变潜热来吸收激光作用所产生的热量，使得反射镜整体温度能够相对保持恒定；潜热冷却剂（5）采用石蜡或烷烃材料混而成。

6.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于：

热管（4）的长度小于多孔支撑框架（2）内通孔的深度，热管（4）与其所在通孔之间的间隙由潜热冷却剂（5）填充；多孔支撑框架（2）内通孔互不连通，密封板（3）焊接在多孔支撑框架（2）的下端面上，将潜热冷却剂（5）分别密封在各自的单元通孔内，使得各个孔间的潜热冷却剂（5）不具有互通性。

7.根据权利要求1、2、3或6所述的反射镜，其特征在于：

所述块状体支撑架为圆柱体或多面体，反射镜（1）为平板状结构。

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